I. Projenin Geçmişi ve Ekipman Özellikleri

Bu vaka çalışması, dikey tek hazneli tek istasyonlu yapıyı kullanan, WDL-IV-30A modelindeki tam otomatik akıllı iyon nitrürleme fırınını içermektedir. Ekipman, titanyum alaşımlarının, alaşımlı çeliklerin, kalıp çeliklerinin ve paslanmaz çeliklerin iyon nitrürleme ve yumuşak iyon nitrürleme kapasitesine sahiptir.

Fırın gövdesinin etkin çalışma bölgesi 300 mm çapında ve 400 mm yüksekliğinde olup maksimum 100 kg yükleme kapasitesine sahiptir. Ortak çalışma sıcaklığı aralığı 500 ila 600°C olup maksimum çalışma sıcaklığı 650°C'dir. Nihai vakum derecesi 6,7 Pa'dan büyük değildir, basınç artış hızı 5 Pa/saat'ten büyük değildir ve atmosferik basınçtan nihai vakuma pompalamak için gereken süre 30 dakikayı aşmaz. Fırın kabuğunun yüzey sıcaklığı artışı 55°C'yi aşmaz.

Model tanımında IV, dördüncü nesil dijital kontrol sistemini, 30, darbe güç kaynağının 30 amperdeki maksimum ortalama akımını ve A, tam otomatik akıllı tipi temsil eder.

II. İyon Nitrürleme Sürecinin Fiziksel Kısıtlamaları

İyon nitrürleme, düşük basınçlı bir gaz deşarj ortamında gerçekleştirilir ve volt-amper karakteristik eğrisi doğrusal değildir. Metalik malzemelerin iyon nitrürlenmesi genellikle volt-amper karakteristik eğrisinin "anormal deşarj" bölümünde çalışır ve bu bölümün üst sınır noktası G tehlikeli bir bükülme noktasıdır. Bir güç kaynağı olarak gaz deşarjı, negatif direnç özelliklerine sahip bir yük sunar. Katot görevi gören iş parçasının yüzey şekli ve çevre ortamı (iş parçası istiflenmesi) yüzey akım yoğunluğunu etkiler.

Bu fiziksel özellikler, iyon güç kaynağının üç teknik zorluğun üstesinden gelmesi gerektiğini belirler. Birincisi ark deşarjıdır: iş parçası yüzeyi temiz olmadığında iletken olmayan bir yağ filmi kolaylıkla oluşabilir. Yük belirli bir dereceye kadar yüzeyde biriktiğinde parçalanır ve anlık bir yüksek akım deşarjı oluşturarak yüksek enerjili kıvılcımlar üretir. Hızlı bir şekilde kesilmezse elektrik kesintisine ve iş parçasının hasar görmesine neden olur. İkincisi, içi boş katot etkisidir: iş parçalarında delikler veya yarıklar, iş parçaları arasında boşluklar veya düzgün olmayan kıvrımlar olduğunda, belirli gaz basınçlarında kritik bir akkor deşarj örtüşmesi durumu meydana gelir. Bu, eşit olmayan yüzey akım yoğunluğuna karşılık gelen ve eşit olmayan sıcaklık dağılımına neden olan, iş parçası yüzeyi boyunca eşit olmayan kızdırma deşarj parlaklığı olarak kendini gösterir. Üçüncüsü, akım yoğunluğu ile gaz basıncı arasındaki bağlantı ilişkisidir: gaz basıncı parıltı kalınlığını etkiler, bu da akım yoğunluğunu etkiler; daha yüksek basınç, daha ince bir parıltı üretir, bu da sıcaklık eşitliği açısından faydalıdır; ancak basınç tüm oluk ve delik yüzeylerini eşit şekilde kaplayacak kadar yüksek olduğunda akım, iş parçası yalıtımı için gereken gücü büyük ölçüde aşacaktır.

III. Darbe Güç Kaynağının Teknik Yanıt Mantığı

Bu ekipman için yapılandırılan darbe güç kaynağı, 20.000 Hz'lik bir çıkış frekansına, bir kare dalga çıkış dalga biçimine, 200 V'un üzerinde ani bir sıçrama olmaksızın 0 ila 900 V arasında sürekli olarak ayarlanabilen bir çıkış voltajına, %10 ila %85 aralığında sürekli olarak ayarlanabilen bir görev döngüsüne, 30 A'lık bir maksimum darbe çıkışı ortalama akımına ve 2 μs'den fazla olmayan bir ark söndürme süresine sahiptir.

Görev döngüsü, açık kalma süresinin darbe süresine oranı olarak tanımlanır. Ortalama ısıtma gücü, tepe voltajının akımla çarpımına ve ardından görev döngüsüyle çarpımına eşittir. Darbeli güç kaynağına ayarlanabilir bir görev döngüsünün eklenmesi, ortalama ısıtma gücü ile iş parçasının işlenmesi için gereken eşik koşulları arasındaki çelişkiyi etkili bir şekilde çözer; bu çelişkinin özü, tekdüze parlama kapsamı için gereken akım yoğunluğunu karşılamak amacıyla ısıtma gücünün, iş parçası sıcaklığını korumak için gereken gücü aşabilmesi ve görev döngüsü ayarının bu ikisinin ayrılmasına izin vermesidir.

Hızlı ark söndürme, ark sinyalini hızlı bir şekilde (neredeyse hiç gecikme olmadan) tespit etmek için deşarj devresindeki elektromanyetik indüksiyon prensibi kullanılarak, ardından yüksek hızlı dijital mantık cihazları aracılığıyla ana akım devresinin yüksek hızlı elektronik anahtarını anında kontrol ederek arkı 2 μs içinde söndürerek elde edilir.

Darbe güç kaynağının uygulanması aynı zamanda çeşitli proses etkileri de sağlar: darbenin mutlak kapalı kalma süresi nispeten kısadır ve güç kapatıldıktan sonra yüklü parçacıkların konsantrasyonu hemen sıfıra düşmez ancak yavaş yavaş azalır. Önemli ölçüde azalmadan önce, bir sonraki darbe gelir ve bu da daha yüksek bir ortalama elektron konsantrasyonuna ve artan iyonizasyon oranına neden olur; içi boş katot etkisi etkili bir şekilde bastırılır; ve darbeli güç kaynağı, nitrürleme işlemi parametrelerinin ayar aralığını her parametrenin bağımsız olarak ayarlanabileceği şekilde genişlettiğinden, karmaşık yüzey şekillerine sahip iş parçaları üzerindeki parlaklık kapsamının tekdüzeliğini iyileştirebilir, böylece sızma katmanı kalitesini ve yüzey düzgünlüğünü artırabilir.

IV. Üç Parametreli Kapalı Döngü Kontrol Sistemi

Kontrol sistemi, ana kontrol merkezi olarak programlanabilir bir mantık denetleyicisi ve dokunmatik ekran kullanır. PLC, 32K adımlık program hafızası kapasitesine, 0,21 μs temel talimat işleme hızına ve iki yüksek hızlı iletişim arayüzüne (RS422 ve USB) sahip FX3G serisi bir ünitedir. Dokunmatik ekran, 1920x1080 çözünürlüğe, dört telli dirençli dokunmatik, 1 GHz ana frekansa ve önceden yüklenmiş McgsPro yapılandırma yazılımına sahip 12 inç TFT LCD'dir.

Sistem, iyon nitrürlemede üç temel parametrenin kapalı döngü kontrolünü aynı anda gerçekleştirebilen çok görevli merkezi yönetim ve dağıtılmış kontrol tamamen dijital mimariyi benimser: ±1°C sıcaklık kontrol doğruluğu, ±1 Pa basınç kontrol doğruluğu ve ±%0,5 akış kontrol doğruluğu.

Sıcaklık kontrolünde, PID düzenlemeli Japon Shimaden SRS13 serisi dijital kontrolörler kullanılır ve sıcaklık kontrol devresi ve termokupl ile kapalı devre bir sıcaklık düzenleme sistemi oluşturulur. Basınç kontrolünde ayrıca Shimaden SRS13 dijital kontrolörleri kullanılır ve frekans dönüştürücü ve basınç sensörü ile kapalı devre bir basınç düzenleme sistemi oluşturulur. Akış kontrolü, gaz akışını kontrol etmek için özel bir kütle akış ölçer ile yapılandırılmıştır.

Basınç kapalı çevrim uygulama yolu şu şekildedir: basınç vericisi fırın basıncını ölçer ve dijital kontrol cihazına standart bir akım sinyali gönderir. Kontrol cihazı, ayarlanan basınç değerine ve gerçek zamanlı örneklenen değerlere göre PID hesaplamaları gerçekleştirir ve ardından frekans dönüştürücüye standart bir akım sinyali gönderir. Vakum pompası motor hızı ayarlanarak pompalama hızı ayarlanır, böylece fırın basıncı proses ayar değerinde sabit tutulur. Bu kontrol yöntemi ±1 Pa'lık bir hassasiyete ulaşırken, vakum pompası ve frekans dönüştürücünün birlikte kullanılması, başlatma sırasında pompa gövdesinin mekanik aşınmasını büyük ölçüde azaltır ve uzun süreli düşük hızda çalışma, servis ömrünü önemli ölçüde uzatabilir.

Akış kontrolü, tamamen kapalı durumdan, kontrol başladığında ve kontrol sırasında ayar noktası değiştirildiğinde ayar noktasına ulaşmaya kadar 0,3 ±%2 saniyeden daha kısa yanıt süresine sahip Japon HORIBA S500 serisi kütle akış ölçerleri kullanır. Kontrol aralığı %1 ila %100 tam ölçeği kapsar, tek bir evrensel DC24V güç kaynağından çalışır ve dahili güç devresi giriş ve çıkış devrelerinden izole edilmiştir.

V. Fırın Gövde Sistemi Yapısal Özellikleri

Fırın gövdesi, iki parçadan oluşan dikey bir fanus yapısını benimser: çan ve taban. Çan silindiri, fırın sıcaklığının homojenliğini sağlamak için su soğutmalı çift duvarlı bir yapıya ve çok kanallı su soğutma sistemine sahiptir. Silindirin içine altı kat 310S paslanmaz çelik ısı kalkanı yerleştirilmiştir ve fırın tabanının üst kısmına iki kat paslanmaz çelik ısı kalkanı takılarak uzun süreli yüksek sıcaklıkta çalışma ve önemli miktarda enerji tasarrufu sağlanır. Fırın duvarının yakınındaki yalıtım katmanının içine 20 mm kalınlığında bir alüminyum silikat yalıtım pamuğu katmanı eklenir.

Katot plakası, fırın tabanında yüksekliği ayarlanabilir üç set yüksek kaliteli dökme mika ile desteklenir. Katot plakası, kalınlığı 30 mm'den az olmayan 310S paslanmaz çelik plakadan yapılmıştır; iş parçasına temas eden malzeme tepsisi sabitleme çerçevesi de 310S paslanmaz çelikten yapılmıştır. Katot bağlantı cihazı, gevşek hızlı bağlantı kaplinlerinin neden olduğu aşırı ısınma sorunlarını önlemek için sert bir bağlantı olarak tasarlanmıştır.

Fırının alt plakasından iki termokupl getirilir ve sıcaklık ölçüm kafasını simüle etmek için katot plakasının ortasına yerleştirilir. Biri iyon ısıtma darbesi güç kaynağı ile sıcaklık kontrolü için kullanılır, diğeri ise çok yönlü sıcaklık izleme için alarm cihazına bağlanır. Tabanın merkezinde flanşlar, kalın duvarlı paslanmaz çelik boru ve paslanmaz çelik körüklerle bağlanan ve yüksek sıcaklığa dayanıklı floro kauçuk conta halkaları ile sağlanan sızdırmazlık sağlayan bir vakum çıkarma portu ve bir katot girişi bulunur.

VI. Vakum ve Gaz Sistemleri

Vakum sistemi, fırın gövdesinin ön vakumlanması ve nitrürleme işlemi sırasında atmosferin değiştirilmesi ve egzoz gazının boşaltılması için kullanılır. Sistemde vakum ünitesi olarak bir adet 2X15 döner kanatlı pompa bulunmaktadır. Pompa seti, şişirme valfli bir elektromanyetik vakum pompası ve bir yüksek vakumlu kelebek valf içerir. Döner kanatlı pompa, proses gazı korozyonuna dayanıklı, frekans dönüştürücü tarafından kontrol edilen ve ana kontrol vanası olarak GI-50 yüksek vakumlu kelebek vana ile donatılmış bir Guangdong Xunda 2X serisi ünitedir.

Vakum ölçümünde ZJ-1C tipi kapasitif diyaframlı mutlak basınç vericisi kullanılır. Bu vakum ölçer, ölçülen ortamın türünden ve bileşiminden etkilenmez, doğru ve güvenilir ölçüm sağlar, ölçülen değer dijital gösterge cihazı tarafından görüntülenir ve fırın basınç kontrolüne katılır.

Gaz dağıtım sistemi, bir gaz kaynağı, akış ölçer ve ilgili boru hatlarından oluşan proses gazının fırına girişini kontrol etmek için kullanılır. Proses gazları (amonyak gibi) kullanıcı tarafından kütle akış ölçerden geçirilerek sağlanır ve daha sonra proses formülüne göre özel bir karıştırma tankı yoluyla fırın gövdesine verilir. Gaz boru hatları paslanmaz çelikten yapılmıştır ve her gaz hattı bir basınç düşürücü vana, manuel kapatma vanası, filtre, basınç göstergesi ve solenoid vana ile donatılmıştır.

VII. Soğutma Suyu Sistemi

Soğutma suyu sistemi, su kaynağının soğutma kulesi ve su pompası tarafından sağlandığı (alıcının sorumluluğunda) sirkülasyonlu bir soğutma yöntemini benimser. Soğutma suyu gereksinimleri: 31°C'yi aşmayan giriş suyu sıcaklığı, 0,15 ila 0,25 MPa giriş suyu basıncı ve 20 m³/saat toplam akış hızı. Her bir soğutma suyu branşmanı, bireysel akış ayarı için ayrı giriş ve çıkış vanalarıyla donatılmıştır. Ekipmana bağlı tüm soğutma suyu boruları, vanaları ve bağlantı parçaları paslanmaz çelikten yapılmıştır.

Anormal giriş basıncı durumunda alarm verilmesi için ana giriş borusuna bir elektrik kontaklı basınç göstergesi takılmıştır ve kontrol sistemi ilgili koruyucu önlemleri alacaktır. Kullanıcının musluk suyu borusuna bağlanan ana su giriş borusuna bir yedek su giriş vanası takılmıştır; beklenmedik bir elektrik kesintisi veya su kesintisi durumunda fırın gövdesi musluk suyuyla soğutulabilir.

VIII. Güvenlik Kilidi ve Alarm Mantığı

Sistemde aşırı sıcaklık, aşırı basınç, termokupl hasarı, su eksikliği ve faz kaybı için hem sesli hem de görsel alarmlar ve kontrol arayüzü alarmlarıyla alarm fonksiyonları bulunur ve belirli sorunlara göre gücün açılmasını yasaklamak, ısıtmayı yasaklamak, kesmek veya ısıtmayı yeniden başlatmak gibi ilgili koruyucu eylemleri gerçekleştirir.

Kontrol sistemi, ekipman arızalarının kendi kendine teşhisini gerçekleştirerek kullanıcıların ilgili arıza noktalarını kontrol etmelerini ve onarmalarını sağlayabilir. Bir arıza oluştuğunda sistem otomatik olarak tüm vanaları kapatır. Vakum sistemi, tüm valflerin kapatma-kapama tipinde olduğu, tam bir kilitleme ve karşılıklı kilitleme mekanizmasıyla donatılmış sıralı başlatma ve durdurma işlevlerine sahiptir.